The basis-set convergence of the electronic correlation energy in the water molecule is investigated at the second-order Mo/ller–Plesset level and at the coupled-cluster singles-and-doubles level with and without perturbative triples corrections applied. The basis-set limits of the correlation energy are established to within 2 mEh by means of (1) extrapolations from sequences of calculations using correlation-consistent basis sets and (2) from explicitly correlated calculations employing terms linear in the interelectronic distances rij. For the extrapolations to the basis-set limit of the correlation energies, fits of the form a+bX−3 (where X is two for double-zeta sets, three for triple-zeta sets, etc.) are found to be useful. CCSD(T) calculations involving as many as 492 atomic orbitals are reported.

An approximate coupled cluster singles and doubles model is presented, denoted CC2. The CC2 total energy is of second-order Møller-Plesset perturbation theory (MP2) quality. The CC2 linear response function is derived. Unlike MP2, excitation energies and transition moments can be obtained in CC2. A hierarchy of coupled cluster models, CCS, CC2, CCSD, CC3, CCSDT etc., is presented where CC2 and CC3 are approximate coupled cluster models defined by similar approximations. Higher levels give increased accuracy at increased computational effort. The scaling of CCS, CC2, CCSD, CC3 and CCSDT is N4, N5, N6, N7 and N8, respectively where N is th the number of orbitals. Calculations on Be, N2 and C2H4 are performed and results compared with those obtained in the second-order polarization propagator approach SOPPA.

Dalton is a powerful general-purpose program system for the study of molecular electronic structure at the Hartree-Fock, Kohn-Sham, multiconfigurational self-consistent-field, Møller-Plesset, configuration-interaction, and coupled-cluster levels of theory. Apart from the total energy, a wide variety of molecular properties may be calculated using these electronic-structure models. Molecular gradients and Hessians are available for geometry optimizations, molecular dynamics, and vibrational studies, whereas magnetic resonance and optical activity can be studied in a gauge-origin-invariant manner. Frequency-dependent molecular properties can be calculated using linear, quadratic, and cubic response theory. A large number of singlet and triplet perturbation operators are available for the study of one-, two-, and three-photon processes. Environmental effects may be included using various dielectric-medium and quantum-mechanics/molecular-mechanics models. Large molecules may be studied using linear-scaling and massively parallel algorithms. Dalton is distributed at no cost from http://www.daltonprogram.org for a number of UNIX platforms.

The linear and quadratic response functions have been determined for a coupled cluster reference state. From the response functions, computationally tractable expressions have been derived for excitation energies, first- and second-order matrix transition elements, transition matrix elements between excited states, and second- and third-order frequency-dependent molecular properties.

The linear response function for a coupled cluster singles and doubles wave function is used to calculate vertical electronic energies for the closed shell system Be, CH+, CO, and H2O. It is shown that excitations of single electron replacement character can be described accurately in such an approach. Improved convergence is obtained using a preconditioned form of the coupled cluster linear response matrix.

The derivation of response functions for coupled cluster models is discussed in a context where approximations can be introduced in the coupled cluster equations. The linear response function is derived for the approximate coupled cluster singles, doubles, and triples model CC3. The linear response functions for the approximate triples models, CCSDT-1a and CCSDT-1b, are obtained as simplifications to the CC3 linear response function. The consequences of these simplifications are discussed for the evaluation of molecular properties, in particular, for excitation energies. Excitation energies obtained from the linear response eigenvalue equation are analyzed in orders of the fluctuation potential. Double replacement dominated excitations are correct through second order in all the triples models mentioned, whereas they are only correct to first order in the coupled cluster singles and doubles model (CCSD). Single replacement dominated excitation energies are correct through third order in CC3, while in CCSDT-1a, CCSDT-1b, and CCSD they are only correct through second order. Calculations of excitation energies are reported for CH+, N2, and C2H4 to illustrate the accuracy that can be obtained in the various triples models. The CH+ results are compared to full configuration interaction results, the C2H4 results are compared with complete active space second order perturbation theory (CASPT2) and experiment, and the N2 results are compared to experiment. Double replacement dominated excitations are improved significantly relative to CCSD in all the triples models mentioned, and is of the same quality in CC3 and CCSDT-1a. The single replacement dominated excitation are close to full configuration interaction results for the CC3 model and significantly improved relative to CCSD. The CCSDT-1 results for the single replacement dominated excitations are not improved compared to CCSD.

An alternative derivation of many-body perturbation theory (MBPT) has been given, where a coupled cluster parametrization is used for the wave function and the method of undetermined Lagrange multipliers is applied to set up a variational coupled cluster energy expression. In this variational formulation, the nth-order amplitudes determine the energy to order 2n+1 and the nth-order multipliers determine the energy to order 2n+2. We have developed an iterative approximate coupled cluster singles, doubles, and triples model CC3, where the triples amplitudes are correct through second order and the singles amplitudes are treated without approximations due to the unique role of singles as approximate orbital relaxation parameters. The compact energy expressions obtained from the variational formulation exhibit in a simple way the relationship between CC3, CCSDT-1a [Lee et al., J. Chem. Phys. 81, 5906 (1984)] CCSDT-1b models [Urban et al., J. Chem. Phys. 83, 4041 (1985)], and the CCSD(T) model [Raghavachari et al., Chem. Phys. Lett. 157, 479 (1989)]. Sample calculations of total energies are presented for the molecules H2O, C2, CO, and C2H4. Comparisons are made with full CCSDT, CCSDT-1a, CCSDT-1b, CCSD(T), and full configuration interaction (FCI) results. These calculations demonstrate that CC3 and CCSD(T) give total energies of a similar quality. If results obtained by CC3 and CCSD(T) differ significantly, neither method can be trusted. In contrast to CCSD(T), time-dependent response functions can be obtained for CC3.

We demonstrate that substantial computational savings are attainable in electronic structure calculations using a Cholesky decomposition of the two-electron integral matrix. In most cases, the computational effort involved calculating the Cholesky decomposition is less than the construction of one Fock matrix using a direct O(N2) procedure.

We present a simple scheme to compute X-ray absorption spectra (e.g., near-edge absorption fine structure) and core ionisation energies within coupled cluster linear response theory. The approach exploits the so-called core-valence separation to effectively reduce the excitation space to processes involving at least one core orbital, and it can be easily implemented within any pre-existing coupled cluster code for low energy states. We further develop a perturbation correction that incorporates the effect of the excluded part of the excitation space. The correction is shown to be highly accurate. Test results are presented for a set of molecular systems for which well converged results in full space could be generated at the coupled cluster singles and doubles level of theory only, but the scheme is straightforwardly generalizable to all members of the coupled cluster hierarchy of approximations, including CC3.